光电检测技术常用器件以及应用

1、关于光电检测技术常用器件及应用第1页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1、光电器件的类型与特点2、光电检测器件的特性参数3、光电导器件-光敏电阻4、光生伏特效应-光电池、光电二极管、光电三极管等5、光电发射效应-光电管、光电倍增管等主要内容6、光热效应-热敏电阻、热电偶第2页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电探测器 热电传感器是基于某些物理效应将温度的变化转换为电量变化的一种检测装置参数。常见的热电传感器有热电偶和热电阻两大类型。第3页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电探测器件的物理过程：器件吸收入射辐射功率，产生温升，温升引

2、起热敏材料内部某种有赖于温度的参量变化，检测该变化，可以探知辐射的存在和强弱。由于热电探测器件利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生升温工作，不是利用某部分光子能量，所以，各种波长的辐射对于响应都有贡献。热电器件对于波长没有选择性。第4页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 热敏电阻按物理特性，可分为三类：(a)负温度系数热敏电阻(NTC)；(b)正温度系数热敏电阻(PTC)；(c)临界温度系数热敏电阻(CTR)。Negative Temperature Coefficient 第5页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热敏电阻的主要特点灵敏度较高，其电阻温度

3、系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强 第6页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 热敏电阻可以根据使用要求不同做成各种形状。一般是将各种氧化物按一定比例混合起来进行压制成型，然后加热到一定温度后，结成坚固的整体。 热敏电阻可制成珠形、杆形、圆形、垫图形和薄片形等多

4、种型式。第7页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热敏电阻分类和区别金属热敏电阻金、镍、铋等温度系数 正绝对值 小电阻与温度关系 多为线性耐高温能力 较强半导体热敏电阻氧化锰、氧化镍、氧化钴等温度系数 负绝对值 大电阻与温度关系 非线性耐高温能力 弱多用于温度模拟测量多用于辐射模拟测量热敏电阻R-T关系示意图RTo温度变化引起电阻阻值变化判断？第8页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。 第9页，共74页，2022年，5月20日，9

5、点38分，星期四热敏电阻原理半导体材料热敏电阻原理解释：吸收辐射后，材料中的电子动能和晶格的振动能增加，因此部分电子从价带跃迁到导带成为自由电子，从而电阻减小了，呈现负温度系数。金属材料热敏电阻原理解释：金属内部本身具有大量的自由电子，可导电，吸收辐射后，自由电子几乎没有增加，但是晶格振动加剧反而阻碍了电子的自由运动，导致电阻增加，呈现正温度系数。第10页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四薄膜型及普通型铂热电阻 第11页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四小型铂热电阻 第12页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四半导体热敏电阻 MF12型

6、 NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻第13页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四其他形式的热敏电阻 玻璃封装 NTC热敏电阻MF58 型热敏电阻第14页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四其他形式的热敏电阻 带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻第15页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四其他形式的热敏电阻（续） 贴片式NTC热敏电阻第16页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热敏电阻阻值随着温度的变化曲线第17页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热敏电阻传感器应用 1保护PTC热敏电阻（陶瓷钛酸钡）是

7、一种具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度），它的阻值随着温度升高呈现阶跃性的增高。即温度升高到一定值，电阻的阻值迅速的增加这种特性 广泛的应用于各类家用电器中用作过流保护，过热保护，延时启动等，避免了电器的损坏第18页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四电流通过元件后引起温度升高，发热体温度上升，当超过居里点的温度后，电阻增加，限制了电流增加，于是电流下降导致元件的温度降低，电阻又减少使得电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能，起到了开关的作用，可以做成加热源的部分，第19页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期

8、四主要使用到的控温电器有 暖风机，电烙铁，烘衣柜，空调。第20页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热敏电阻传感器应用 2测温NTC负温度系数热敏电阻测量范围-10300，或-20010，甚至可用在3001200的环境中。适用于粮仓测温，食品储存，医药卫生，海洋，深井，高空，冰川等方面的温度测量应用领域：电子温度计，电子万年历，电子钟温度显示，汽车电子温度测控电路，手机电池及充电电器等。第21页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响常采用图所示的三导线四分

9、之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。 现场第22页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电阻流量计的电原理图。两个铂电阻探头Rt1、Rt2，Rt1放在管道中央，它的散热情况受介质流速的影响。 Rt2放在温度与流体相同，但不受介质流速影响的小室中。当介质处于静止状态时，电桥处于平衡状态，流量计没有指示。当介质流动时，由于介质流动带走热量，温度的变化引起阻值变化，电桥失去平衡而有输出，电流计指示直接反映了流量的大小。 热敏电阻传感器应用 3 -流量计 第23页，共74页

10、，2022年，5月20日，9点38分，星期四常温下，调整R1的阻值使斯密特触发器的输入端A处于低电平，则输出端Y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当温度升高时，热敏电阻RT阻值减小，斯密特触发器输入端A电势升高，当达到某一值（高电平），其输出端由高电平跳到低电平，蜂鸣器通电，从而发出报警声，Rl的阻值不同，则报警温度不同 热敏电阻传感器应用 4 报警装置 第24页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热敏电阻实物 热敏电阻 LCD第25页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热敏电阻体温表 热敏电阻实物 第26页，共74页，2022年，5月20日，9点

11、38分，星期四热敏电阻用于CPU的温度测量 热敏电阻实物 第27页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热敏电阻用于电热水器的温度控制 热敏电阻实物 第28页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻热敏电阻实物 第29页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四思考：还有什么地方可能用到热敏电阻？试着举出三个例子第30页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电偶热电偶的结构和工作原理 热电效应：将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶），若两接触点温度(T,T0)不同，则回路中

12、有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克(Seebeck)效应。第31页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电势由两部分组成两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。第32页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。

13、假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场 。接触电势 第33页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四温差电动势 将某一导体两端分别置于不同的温度场T、T0中，在导体内部，热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场，该静电场阻止电子从热端向冷端移动，最后达到动态平衡。这样，导体两端便产生了电势，我们称为温差电

14、动势。 AeA(T,To)ToT温差电势原理图第34页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 热电效应包括塞贝克(Seebeck)效应帕尔帖(Peltire)效应汤姆逊(Thomson)效应。第35页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四背景资料 塞贝克（Seebeck,Thomas Johann） 俄国-德国科学家。1770年4月9日生于爱沙尼亚（俄国）的雷维尔；1831年12月10日卒于德国柏林。 在1821年首先观察到，如果两种不同的金属在两处相接，并且两个结点保持不同的温度，就会有电流连续不断地流过电路。 塞贝克本人对这种从热到电的转化（温差电）没有给予

15、正确的解释，因而也就没有作深入的研究。所以”塞贝克效应”长达一个多世纪无人过问。第36页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四有两种不同导体组成的回路中，如果导体的两个结点存在温度差，两个节点间将产生电动势E。这就是塞贝克效应或温差电效应。由于塞贝克效应而产生的电动势称作温差电动势。材料的塞贝克效应的大小，用温差电动势率 表示。材料相对于某参考材料的温差电动势率为1. 塞贝克(seebeck)效应 温差电偶多个温差电偶串联会构成温差电堆第37页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四2. 帕尔帖(peltire)效应 电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量

16、，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号 表示。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。材料的帕尔贴效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔贴系数 表示 帕尔贴效应与塞贝克效应都是温差电效应，二者有密切联系。事实上，它们互为反效应第38页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四3. 汤姆逊效应 电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这

17、就是汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量，称汤姆逊热，用符号 表示(7)式中 - 汤姆逊系数， ； - 温度差，K； I - 电流，A。 第39页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电偶热电势的几点结论 (a)热电偶所产生的热电势的大小与热电极的长度和直径无关，只与热电极材料的成分和两端的温度有关。第40页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四(b)两个相同成分材料的热电极，不能构成热电偶。因为材料成分相同，则总电势也为零。第41页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四(c)热电偶两端(结点)的温度相同时，总的热电势也为零。(d)热电偶的两个

18、电极的材料确定以后，热电偶的热电势与热电偶两端的温度有关。第42页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四结论（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总电势为0。（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为0。（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。（4）如果使冷端温度0保持不变，则热电动势便成为热端温度的单一函数。 第43页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电偶的结构形式及材料1热电偶的基本结构形式 2热电偶材料 3常用热电偶第

19、44页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电偶的基本结构形式热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。 第45页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四1普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶结构图 第46页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四普通装配型热电偶的外形安装螺纹第47页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒引出线套管

20、固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管 第48页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四2铠装型热电偶 铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体 .它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。 第49页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四铠装型热电偶结构 1接线盒 2金属套管 3固定装置 4绝缘材料 5热电极第50页，共74页，2022年，5月20日，9点38

21、分，星期四铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可 长达上百米薄壁金属 保护套管（铠体） BA绝缘 材料铠装型热电偶横截面第51页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四3薄膜热电偶 用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.010.1m），因而热惯性小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。 其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀在被测表面上等3种。所用的电极类型有铁-康铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围为200300。 第52页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星

22、期四铁-镍薄膜热电偶结构 1测量接点 2铁膜 3铁丝 4镍丝5接头夹具 6镍膜 7衬架第53页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四4表面热电偶 表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。此外还有测量气流温度的热电偶、浸入式热电偶等。第54页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电偶应用1测温基本测量电路包括热电偶、补偿导线、冷端补偿器、连接用铜线、动圈式显示仪表。 热电偶基本测量电路 第55页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四第56页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，

23、星期四第57页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四第58页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四第59页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四第60页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四第61页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即帕尔帖效应）的一种制冷方法。半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。图1示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。

24、此时，一个接点变热，一个接点变冷。如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。 热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。 第62页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热电偶应用2-车载冰箱（半导体制冷）第63页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四热释电器件 热释电探测器是一种利用热释电效应制成的新型热探测器。广泛应用于热辐射和从可见光到红外波段激光的探测第64页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 (a)热释电效应 在晶体中有一种晶体为热电晶体。这种晶体具有自发极化的特性。所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。第65页，共74页，2022年，5月20日，9点38分，星期四 在温度变化时。晶体中离子间的距离和链角发生变比，从而使偶极矩发生变化，也就是自发极化强度和面束缚